「氷 VII」とはいったい何なのか、そしてなぜ科学者はレーザーを使ってそれを作るのか?

確かに、氷が凍るのを見るのは、ペンキが乾くのを見るのと同じくらい楽しいように思えます。しかし、それはあなたが世界で最も強力なレーザーで氷を作ることを試したことがないからです。

研究者たちは、世界で最も強力なX線レーザー（リニアックコヒーレント光源）を水の入った小瓶に照射し、別の強力なレーザーからのパルスで高速カメラの画像に相当するものを撮影することで、水が分子ごとに整列して氷VIIと呼ばれる氷の相を形成する様子を観察することができました。氷VIIは通常、地球上では見られない形態です。

彼らの研究結果は今週、 Physical Review Letters 誌に掲載された。

「誰もが氷の挙動を理解したいので、氷に関する研究はこれまで膨大な数に上ってきた」と研究著者のウェンディ・マオ氏は声明で述べた。「私たちの新しい研究が実証したのは、これまで行われていなかった、氷の構造形成をリアルタイムで観察する能力だ」

この場合、リアルタイムとはわずか 6 ナノ秒を意味します。つまり、高速フリーズです。

以前にも他の科学者が研究室で氷 VII を生成したことがあったが、凍結の過程をうまく捉えることはできなかった。宇宙での惑星衝突によく見られるこの段階の氷は、小さな棒状の針として形成され、その後凍結して固まることが判明した。以前の研究では、氷はまず球状に凍結する可能性があることが示唆されていた。この新しい発見は、水が凍結する奇妙な方法すべてについての洞察を与えてくれる。特に興味深いのは、氷 VII は地球上に自然界には存在しないが、惑星地質学者はエウロパやその他の太陽系外惑星には存在すると考えていることだ。

地球上の氷は、ウイスキーに入っている岩石からグリーンランドの氷床まで、すべて同じ相に凍結します。それは、典型的なありふれた氷、Ih (ワン エイチと発音します) です。「h」は、液体または気体から固体の氷に変化するとき、酸素原子が並ぶ六角形を指します。

しかし、水分子が集まる形は六角形だけではありません。適切な温度と圧力のもとで、水がとり得る結晶相は全部で約 17 種類あります (18 番目は奇妙な四角形になるかもしれません)。地球上の温度と圧力は、広大で理解不能な宇宙全体と比較するとそれほど変化しないため、私たちの世界に現れるのは氷 Ih だけです。

しかし、地球よりも気温が高く、気圧が低い（またはその逆）他の場所や状況では、液体の水、水蒸気、氷はまったく異なる点で安定している可能性があります。科学者はこれを状態図を使用して概念化します。状態図は文字通り、物質が液体、気体、または固体になる条件をマップします。

水の分子成分が固体に並ぶ方法はいくつかあり、それがこの化合物の状態図が非常に奇妙である理由です。

わかりました。バニラアイスは実際には状態図に載っていません。水の実際の状態図は、ローマ数字があちこちに散りばめられた、こんな感じです。

氷 Ih は、圧力が 1 キロバール (海面気圧のほぼ 1,000 倍) 以下、および氷点から華氏 -328 度までの空間を支配しています。しかし、この極寒の境界から外れると、状況は奇妙になり始めます。氷は、十分な圧力がかかっている場合、信じられないほど高い温度 (摂氏数百度) で存在することができます。

認識されている 17 種類の氷のうち、11 種類は典型的な相図に現れます。IV、IX、XII、XIV、XVI、XVII は奇妙なケースです (ヴォネガットのファンの皆さん、いいえ、氷 IX は地球上のすべての水を凍らせません)。最初の 4 つは他の相では準安定です。つまり、邪魔されない限り、他の氷構造の領域に一時的に存在することができます。しかし、温度と圧力を変えると、別のより安定した相にシフトさせることができます。氷 XVI と XVII は、氷を非常に低圧の環境で引き伸ばすことによって実験的に形成され、凍った水分子の間に小さな分子ケージが残りました。

人生でこのような形の氷に遭遇することはまずないでしょう。しかし、それがそこにあると知るのはクールだと思いませんか?